帶你看工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)發(fā)展歷程，EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)原理詳解

工業(yè)以太網(wǎng)很早便出現(xiàn)在人們視野當(dāng)中，目前，工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用也較為成熟。本文中，小編將基于兩方面介紹工業(yè)以太網(wǎng)相關(guān)知識：1. EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)原理詳解，2.工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)歷程闡述。

一、EtherCAT技術(shù)原理

EtherCAT是一種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)，該協(xié)議可以用于過程數(shù)據(jù)的優(yōu)化傳輸。EtherCAT協(xié)議可以包括幾個(gè)EtherCAT報(bào)文，每個(gè)報(bào)文都服務(wù)于一塊邏輯過程映像區(qū)的特定內(nèi)存區(qū)域，該區(qū)域最大可達(dá)4GB字節(jié)。要發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)順序不依賴于網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)端子的物理順序，可以任意編址。

作為一種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議，EtherCAT從站的OSI模型可以用圖1簡單描述。在圖1中，ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織所定義的開放系統(tǒng)互連七層OSI模型被壓縮成了具有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的3層模型。物理層為網(wǎng)絡(luò)信號的傳輸提供了物理鏈路。數(shù)據(jù)鏈路層的主要任務(wù)是在特定的“時(shí)間窗”內(nèi)從以太網(wǎng)幀中提取數(shù)據(jù)并把要輸出的數(shù)據(jù)插入到以太網(wǎng)幀內(nèi)，同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查校驗(yàn)。如果動(dòng)作在特定的時(shí)間窗內(nèi)不能完成，就會(huì)認(rèn)為動(dòng)作失敗。應(yīng)用層的作用是處理數(shù)據(jù)鏈路層的請求，并作出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。

EtherCAT協(xié)議本身決定了它無需接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，將其解碼，之后再將過程數(shù)據(jù)復(fù)制到各個(gè)設(shè)備。它具有主從數(shù)據(jù)交換原理，需要主站和從站配合完成工作，因而，EtherCAT非常適合主從控制器之間的通訊。EtherCAT主站傳遞的以太網(wǎng)幀包含了所有的I/O從站數(shù)據(jù)，報(bào)文在I/O從站間傳遞，每個(gè)從站用極短的時(shí)間獲取數(shù)據(jù)并將要發(fā)出的數(shù)據(jù)寫入到以太網(wǎng)幀的相應(yīng)位置，然后將報(bào)文傳遞給下一個(gè)從站。最后一個(gè)從站處理結(jié)束后，將報(bào)文傳遞回EtherCAT主站。

EtherCAT協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2表明，由于發(fā)送和接收的以太網(wǎng)幀壓縮了大量的設(shè)備數(shù)據(jù)，EtherCAT充分利用了IO層的帶寬，采用EtherCAT協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可用的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)90%以上，100 Mbit/s的全雙工特性完全得以利用。有資料表明其處理1000個(gè)數(shù)字量I/O只需30微秒，處理200個(gè)l6位模擬量信號只需50微秒，即取樣頻率達(dá)到20kHz。這種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議非常適合要求實(shí)現(xiàn)快速控制的應(yīng)用場合，可以做到真正把以太網(wǎng)應(yīng)用于傳感器/執(zhí)行器級。EtherCAT協(xié)議本身決定了它幾乎支持任何拓?fù)漕愋?，包括線型、樹型、星型等，并且不受限于級聯(lián)交換機(jī)或集線器的數(shù)量。

在故障診斷方面，EtherCAT通過CRC校驗(yàn)，可以有效地檢測出數(shù)據(jù)傳送期間的位故障，EtherCAT通過匹配性檢查可以進(jìn)行斷線檢測和故障定位。另外，EtherCAT系統(tǒng)的協(xié)議還可以對各個(gè)傳輸段分別進(jìn)行品質(zhì)監(jiān)視，與錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器關(guān)聯(lián)的自動(dòng)評估還可以對關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)段進(jìn)行精確定位。

二、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)改革歷程

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)在工業(yè)級設(shè)計(jì)一般在設(shè)計(jì)上滿足：工業(yè)寬溫設(shè)計(jì)，4級電磁兼容設(shè)計(jì)，冗余交直流電源輸入，另外PCB板一般做“三防”處理。工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境比普通環(huán)境都要惡劣，至少在震動(dòng)，濕氣，溫度上都要比普通環(huán)境惡劣，普通交換機(jī)在設(shè)計(jì)上沒有抵御在工業(yè)環(huán)境中出現(xiàn)的各種情況的能力，普通交換機(jī)不能長時(shí)間工作在這種惡劣環(huán)境下，經(jīng)常容易出現(xiàn)故障，更使維護(hù)成本上升，一般不建議在工業(yè)環(huán)境中使用商業(yè)交換機(jī)，為了能使交換機(jī)在這種惡劣環(huán)境中使用，故生產(chǎn)出能適應(yīng)這種環(huán)境的交換機(jī)，工業(yè)級別的交換機(jī)的可靠性有電源故障，端口中斷，可由繼電器輸出報(bào)警，冗余雙直流電源輸入，主動(dòng)式電路保護(hù)，過壓、欠壓自動(dòng)斷路保護(hù)。

目前。國內(nèi)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)市場中，電力、軌道交通、風(fēng)力發(fā)電、煤礦是工業(yè)交換機(jī)的重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域，占到市場的70%。中國工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)市場活躍著大約50家廠商。中國工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)市場的外資廠商在15家左右，臺資廠商3-4家，本土廠商30家左右。本土廠商中以地方品牌居多。在工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的銷售中有近70%的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)是通過分銷的方式進(jìn)入到市場的。通常外資企業(yè)采用分銷的方式銷售產(chǎn)品，內(nèi)資企業(yè)采用直銷的方式。

國內(nèi)工業(yè)以太網(wǎng)的制約因素很大程度上還是因?yàn)闆]有一個(gè)統(tǒng)一的通用標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品參差不齊，價(jià)格差異大，用戶選擇困難。同時(shí)，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)場總線技術(shù)長期并存。這限制了工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)向更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。正維通信近幾年通過研發(fā)人員的努力實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)與總線技術(shù)的合并，WISE3000B系列產(chǎn)品很好的做到了兩者的融合。

中國未來工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)將伴隨著工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的不斷推廣，迎來更大的發(fā)展。從技術(shù)角度，實(shí)時(shí)通訊、穩(wěn)定性、安全性等是工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)產(chǎn)品的著眼點(diǎn)。隨著無線網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)將繼續(xù)前行。從產(chǎn)品角度，多功能化是工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)發(fā)展的方向。網(wǎng)管型工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)比非網(wǎng)管型功能更強(qiáng)大。

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